Ultra-stiff and Lightweight: Carbon-fiber Epoxy Honeycombs Meniru Kemampuan Fisik Dari Kayu Balsa

Wind Turbine

Left: Optical images of square, hexagonal, and triangular honeycomb structures composed of SiC-filled epoxy. Scale bars are 2 mm. Center and right: Optical images of a triangular honeycomb structure composed of SiC/C-filled epoxy, which reveal clear evidence of highly aligned carbon fibers oriented along the print direction. The scale bars are 500 μm.

Di dalam jajaran kincir angin di seluruh Amerika Utara dan Eropa, turbin ramping yang dilengkapi dengan teknologi canggih, mengubah energi angin menjadi tenaga listrik. Tapi tahukah anda bahwa bahan yang terselip di dalam bilah yang merupakan hasil rekayasa teknik modern adalah bahan yang berteknologi rendah, yakni kayu balsa. Seperti produk manufaktur lainnya yang menggunakan konstruksi panel sandwich untuk mencapai kombinasi ringan serta masih memiliki kekuatan yang mumpuni, pisau turbin terdiri dari lapisan yang tersusun dari kayu balsa dari Ekuador, yang mana menyediakan 95 persen dari pasokan dunia. Selama berabad-abad, pohon balsa yang cepat tumbuh memiliki kelebihan, yakni sifatnya yang ringan serta kekakuan relatif terhadap kepadatan. Tetapi kayu balsa mahal serta variasi alami dalam butirannya dapat menjadi penghalang untuk mencapai persyaratan kinerja semakin meningkat terhadap standar bilah turbin dan aplikasi canggih lainnya.
Saat ini pembuat turbin mulai menghasilkan bilah kincir dalam ukuran yang besar. Tercatat bilah kincir terpanjang sekarang terukur sepanjang 75 meter, ukuran tercebut hampir serupa dengan lebar sayap sebuah pesawat jet Airbus A380. Bilah tersebut harus direkayasa untuk beroperasi tanpa ada kendala berarti selama beberapa dekade. Dalam rangka untuk memenuhi spesifikasi lebih menuntut untuk presisi, berat badan, dan konsistensi kualitas, produsen mencari pilihan bahan baku pembuatan bilah kincir yang baru. Sekarang dengan menggunakan koktail berbasis epoxy resin thermosetting diperkuat serat dan teknik cetak 3D ekstrusi, ilmuwan di Harvard School of Engineering dan Ilmu Pengetahuan Terapan (LAUT) dan Institut Wyss untuk Rekayasa biologis telah mengembangkan material komposit belum pernah ada sebelumnya dan memiliki berat yang ringan serta kaku. Berdasarkan sifat mekanik dan kontrol skala halus fabrikasi, para peneliti mengatakan bahan-bahan baru dapat meniru struktur dan memperbaiki kelemahan kayu balsa, dan bahkan dapat dicetak melalui alat pencetak 3D polimer. Makalah yang menjelaskan hasil mereka telah dipublikasikan secara online dalam jurnal Advanced Material.
Sampai saat ini, pencetakan 3D telah dikembangkan untuk thermo plastik dan resin UV yang dapat diubah menjadi bentuk yang diinginkan. “Dengan penggunaan bahan seperti epoxies, kami membuka jalan baru untuk menggunakan pencetakan 3D untuk membangun arsitektur ringan,” kata peneliti utama Jennifer A. Lewis, Hansjörg Wyss Profesor Terinspirasi Rekayasa biologis di Harvard LAUT. “Pada dasarnya, kami memperluas palet bahan untuk pencetakan 3D.” “Kayu Balsa memiliki arsitektur selular yang meminimalkan berat karena sebagian besar ruang kosong dan hanya dinding sel yang membawa beban. Oleh karena itu memiliki kekakuan spesifik serta kekuatan yang tinggi,” jelas Lewis, yang selain perannya di Harvard LAUT juga core Fakultas Anggota di Institut Wyss. “Kami telah meminjam konsep desain ini dan menirukan dalam sebuah komposit direkayasa.”
Lewis dan Brett G. Compton, mantan postdoctoral fellow di kelompoknya, tinta dikembangkan resin epoxy, dibubuhi trombosit nanoclay viskositas-meningkatkan dan senyawa yang disebut dimetil methylphosphonate, dan kemudian menambahkan dua jenis pengisi: kecil silikon karbida “kumis” dan serat karbon diskrit. Kunci fleksibilitas tinta penuh serat yang dihasilkan adalah kemampuan untuk mengendalikan orientasi pengisi. Arah bahwa pengisi disimpan mengontrol kekuatan bahan (memikirkan kemudahan membelah sepotong kayu bakar memanjang versus kesulitan relatif memotong pada tegak lurus terhadap gandum). Lewis dan Compton telah menunjukkan bahwa teknik mereka menghasilkan komposit seluler yang kaku seperti kayu, 10 sampai 20 kali lebih keras dari polimer 3D-cetak komersial, dan dua kali lebih kuat sebagai komposit polimer terbaik dicetak. Kemampuan untuk mengontrol keselarasan dari pengisi berarti bahwa perakit digital dapat mengintegrasikan komposisi, kekakuan, dan ketangguhan suatu objek dengan desain.
“Tulisan ini menunjukkan, untuk pertama kalinya, 3D pencetakan sarang dengan dinding sel yang diperkuat serat,” kata Lorna Gibson, seorang profesor ilmu materi dan teknik mesin di Massachusetts Institute of Technology dan salah satu dunia ahli terkemuka dalam komposit selular, yang tidak terlibat dalam penelitian ini. “Signifikansi khusus adalah cara bahwa serat dapat disejajarkan, melalui kontrol dari aspek rasio fiber – panjang relatif terhadap diameter -. Dan diameter nozzle ini menandai langkah maju yang penting dalam merancang bahan rekayasa yang meniru kayu, lama dikenal karena sifat mekanik yang luar biasa untuk berat. “”Seperti yang kita mendapatkan tingkat tambahan kontrol dalam filler keselarasan dan belajar bagaimana untuk lebih mengintegrasikan orientasi ke dalam desain komponen, kita dapat lebih mengoptimalkan desain komponen dan meningkatkan efisiensi bahan,” tambah Compton, yang kini menjadi staf ilmuwan di bidang manufaktur aditif di Oak Ridge National Laboratory. “Akhirnya, kita akan dapat menggunakan teknologi cetak 3D untuk mengubah tingkat keselarasan serat pengisi dan komposisi lokal dengan cepat.
Pekerjaan bisa memiliki aplikasi dalam berbagai bidang, termasuk industri otomotif di mana material yang lebih ringan memegang kunci untuk mencapai standar ekonomi bahan bakar mandat pemerintah agresif. Menurut perkiraan, menumpahkan £ 110 dari masing-masing 1 miliar mobil di jalan di seluruh dunia bisa menghasilkan $ 40 miliar penghematan bahan bakar tahunan. Cetak 3D memiliki potensi untuk secara radikal mengubah manufaktur dengan cara lain juga. Lewis mengatakan langkah berikutnya adalah untuk menguji penggunaan resin thermosetting untuk menciptakan berbagai jenis arsitektur, terutama dengan memanfaatkan teknik pencampuran pengisi dan tepat menyelaraskan mereka. Hal ini dapat menyebabkan kemajuan tidak hanya di bahan struktural, tetapi juga dalam komposit konduktif. Sebelumnya, Lewis telah melakukan penelitian inovatif dalam pencetakan 3D jaringan konstruksi dengan pembuluh darah dan lithium-ion microbatteries. Dukungan utama untuk komposit kerja seluler berasal dari Pusat Amerika Utara BASF untuk Penelitian Bahan Advanced di Harvard.
Dukungan tambahan disediakan oleh Penelitian Ilmu Bahan dan Rekayasa Center di Harvard, yang didanai oleh National Science Foundation (DMR 0.820.484).
sumber